01 Contexto operativo: Grupo CSL y la flota Panamax

El grupo CSL Inc.. es una compañía naviera privada con sede en Montreal y el mayor propietario y operador de buques de descarga automática del mundo.. Su flota transporta carga seca a granel: mineral de hierro., grano, carbón, sal, agregados, azúcar: a clientes de todo el sector de la construcción, acero, energía, y las industrias agroalimentarias a nivel mundial. CSL ofrece más de 70 millones de toneladas de carga seca a granel al año.[1]

CSL encargó nueve nuevos buques de descarga automática clase Panamax a Chengxi Shipyard Co.. Ltd. en la ciudad de Jiangyin, China. Panamax designa la clase de buque más grande que puede transitar por el Canal de Panamá, diseñado para adaptarse a las dimensiones mínimas de las esclusas del canal mientras transporta la carga máxima permitida.. Estos no son barcos pequeños..

Cuatro de los nueve buques fueron designados para la operación Great Lakes Seaway: el Duluth, Desde Minnesota hasta el Golfo de San. Ruta Lawrence, como unidades Laker Trillium Class. Los cinco restantes se dirigían al océano por rutas internacionales de aguas azules.. Ambas categorías requirieron certificación de Lloyd's Registry y American Bureau of Shipping. (ABS) antes de entrar en servicio, y ambos organismos de certificación imponen un límite estricto: distorsión armónica total del voltaje (THDv) en el sistema de suministro eléctrico del barco no debe exceder 5%.[2][3][1]

Higo. 1. Buque CSL Bahía St. Pablo — uno de los cuatro buques de descarga automática Laker Trillium Class Panamax destinados a la operación Great Lakes Seaway. Fuente: Mirus Internacional / Grupo CSL.[1]

02 El descubrimiento: 30% Superación del límite de THDv en pruebas en el mar

Durante las pruebas en el mar en China, CSL descubrió que el THDv en los buques’ Los sistemas de suministro eléctrico superaron los 5% Límite de Lloyd's/ABS en aproximadamente 30% — lo que significa que el THDv medido estuvo en el rango del 30 al 35 %. Los barcos no pudieron certificarse y no pudieron entrar en servicio hasta que esto se resolviera.[1]

CSL contrató a Mirus International para proporcionar una solución de mitigación de armónicos para toda la flota. Mirus comenzó con su metodología estándar.: simulación primero, luego medición de campo para validar el modelo.

2.1 Simulación con SOLV™

Los ingenieros de Mirus utilizaron su SOLV patentado™ Software de simulación armónica para modelar el sistema eléctrico completo de cada embarcación: generadores., arquitectura de distribución, y todas las cargas VFD en diversas condiciones de funcionamiento. La simulación produjo niveles de THDv previstos en los puntos de medición clave requeridos por los organismos de certificación..[1]

2.2 Medición de campo a bordo

Para validar el SOLV™ modelo, Los ingenieros de Mirus abordaron uno de los barcos y realizaron mediciones armónicas in situ.. Los valores de THDv medidos en campo coincidieron estrechamente con los SOLV™ predicciones de simulación y mediciones de pruebas de mar propias de CSL, lo que confirma que el modelo de simulación representaba con precisión el sistema eléctrico real de la embarcación.. Este acuerdo a tres bandas (simulación, Medición del campo Mirus, Prueba de mar CSL) dio una gran confianza en las predicciones posteriores al filtro.[1]

03 Cargas VFD en graneleros modernos: Por qué los armónicos son inevitables

Los buques CSL Panamax representan el estado actual del arte en diseño de graneleros.. Los variadores de frecuencia se implementan en todas partes, no como una ocurrencia tardía, sino como estrategia central de eficiencia:[1]

• Unidades de propulsor — maniobras y mantenimiento de posición del buque
• Accionamientos para bombas de lastre — gestión del trimado y la estabilidad (2 × 350–400 HP por embarcación)
• Accionamientos para transportadores de descarga automática — la capacidad definitoria de un buque de autodescarga; el sistema transportador descarga la carga sin equipo en tierra (4 × 400 HP por buque)
• Impulsiones del ventilador de ventilación — ventilación de bodegas y espacios de máquinas, Velocidad controlada para mayor eficiencia.

Cada uno de estos sistemas de propulsión ofrece beneficios operativos reales.: Reducción del consumo de combustible con carga parcial., control de velocidad preciso, desgaste mecánico reducido. Pero colectivamente, representan una gran concentración de cargas no lineales de 6 pulsos en el sistema de energía de un barco alimentado enteramente por generadores a bordo (la misma fuente de alta impedancia)., Problema del sistema aislado encontrado en los estudios de caso anteriores de esta serie., ampliado a una flota de nueve buques.

3.1 El transportador de descarga: una fuente armónica concentrada

El sistema transportador de autodescarga es la tecnología que define a los buques de CSL y la mayor fuente de armónicos a bordo.. cuatro 400 Los accionamientos del transportador HP que funcionan simultáneamente representan 1,600 HP de carga rectificadora de 6 pulsos en un bus de un solo barco. Cuando estas unidades funcionan a plena capacidad durante la descarga de la carga, que es exactamente cuando el buque está cerca de un puerto., operando con redundancia limitada del generador: la carga armónica en el sistema eléctrico del barco está en su máximo.

Este es el peor de los casos: las pruebas en el mar deben demostrar el cumplimiento de, y es precisamente el escenario que produjo la 30%+ Superación de THDv que bloqueó la certificación.

04 Solución: Lineator AUHF en las unidades más grandes, Toda la flota

4.1 Estrategia de colocación de filtros

Después de la simulación y el análisis., Los ingenieros de Mirus recomendaron aplicar filtros Lineator AUHF a los VFD más grandes de cada embarcación, específicamente a los accionamientos del transportador y de las bombas de lastre.. Esta estrategia de colocación selectiva refleja un principio importante de mitigación armónica.: Los variadores más grandes producen las mayores corrientes armónicas absolutas y, por lo tanto, tienen el mayor impacto en el THDv del bus.. La mitigación de las fuentes armónicas dominantes logra el cumplimiento sin necesidad de filtros en cada variador a bordo..[1]

4.2 Cumplimiento confirmado por simulación

SOLV™ Las simulaciones con los filtros Lineator instalados mostraron que el THDv se redujo muy dentro del rango 5% Límite de Lloyd's/ABS en los nueve buques bajo todas las condiciones operativas modeladas. La misma estrecha concordancia entre la simulación y las mediciones de campo que había caracterizado la línea de base previa al filtro dio confianza en que los resultados de la simulación posterior al filtro eran predicciones confiables de lo que las pruebas en el mar confirmarían..[1]

Higo. 2. Vista de la cubierta de un buque de descarga automática CSL Panamax que muestra la infraestructura del transportador. los cuatro 400 Los accionamientos del transportador HP representan la fuente de armónicos dominante en el bus del barco y fueron los objetivos principales para la instalación de Lineator AUHF.. Fuente: Mirus Internacional / Grupo CSL.[1]

05 La perspectiva de la calidad de la energía: Lo que ilustra este estudio de caso

5.1 Descubriendo problemas armónicos en las pruebas en el mar: un patrón recurrente

El caso CSL comparte una característica estructural con el caso del buque de servicio offshore estudiado anteriormente en esta serie.: El cumplimiento armónico no se verificó durante el diseño de la embarcación y se descubrió solo en pruebas en el mar.. En ambos casos, La embarcación fue construida y lista para el servicio antes de que el sistema eléctrico fuera probado en condiciones reales de operación con todas las cargas principales funcionando simultáneamente..

Este patrón se puede prevenir. La simulación armónica durante la fase de diseño, antes de la construcción del astillero, puede identificar si el complemento VFD planificado producirá THDv compatible en todos los escenarios operativos.. El coste de un SOLV™ La simulación en la etapa de diseño es una fracción del costo de una solución de modernización posterior a la construcción.. Para una flota de nueve buques, El argumento a favor del análisis armónico temprano es convincente..

5.2 Colocación selectiva de filtros: la estrategia de fuente dominante

La decisión de filtrar sólo los accionamientos más grandes (transportadores y bombas de lastre) en lugar de todos los accionamientos del buque es el enfoque de ingeniería correcto cuando el presupuesto armónico está dominado por unas pocas cargas grandes.. La magnitud de la corriente armónica del rectificador de 6 pulsos aumenta aproximadamente con el tamaño del variador.. los cuatro 400 Unidades de transportador HP y dos 400 HP (o 350 HP) Los accionamientos de las bombas de lastre juntos representan aproximadamente entre 2300 y 2400 HP de carga no lineal por embarcación.. Las unidades restantes: unidades de propulsión, ventiladores: son más pequeños y su contribución al THDv del autobús, mientras que real, es secundario.

El filtrado de las fuentes dominantes sitúa a THDv dentro del 5% límite. Filtrar cada unidad agregaría costos y complejidad sin una mejora proporcional en el margen de cumplimiento.. El SOLV™ La simulación cuantificó exactamente cuánta mejora produjo cada colocación de filtro., permitiendo validar la estrategia selectiva antes de pedir cualquier hardware.

5.3 Acuerdo simulación-medición como herramienta de ingeniería.

El estrecho acuerdo a tres bandas entre SOLV™ simulación, Mediciones de campo de Mirus, y vale la pena enfatizar los datos de las pruebas de mar del propio CSL como punto metodológico.. Cuando un modelo de simulación se valida con mediciones de campo independientes antes de implementar una solución, el resultado de la simulación posterior a la solución tiene un peso predictivo real. Esto es diferente de la simulación sola., que depende de la precisión de los datos de entrada y de las suposiciones.

Para una flota de nueve buques, abordar cada barco para realizar mediciones posteriores al filtro llevaría mucho tiempo y sería costoso. El modelo validado hace que sea defendible aplicar la misma especificación de filtro en toda la flota, una vez que se confirma que el modelo es preciso en un barco., la predicción para los demás es confiable. Así es la simulación como herramienta de ingeniería, no como presentación de ventas.

Referencias

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudio de caso: Grupo CSL Inc.. — Mitigación Armónica de Buques Panamax,” Estudio de caso de aplicación, brampton, Ontario, Canadá. Disponible: mirusinternacional.com
2. [2] Oficina Americana de Transporte Marítimo (ABS), “Notas orientativas sobre el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica,” ABS, Houston, Texas.
3. [3] Registro de Lloyd, “Reglas y Reglamentos para la Clasificación de Buques,” Registro de Lloyd, Londres, Reino Unido.